Flaschenhals-Effekt: Warum ist meine NVMe an einem USB 3.0 Anschluss extrem langsam?

Die Welt der Speichertechnologien hat in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung erlebt. Insbesondere NVMe-SSDs (Non-Volatile Memory Express Solid State Drives) haben die Messlatte für Geschwindigkeit und Leistung extrem hoch gelegt. Mit Lese- und Schreibraten, die oft im Bereich von mehreren Gigabyte pro Sekunde liegen, versprechen sie eine beispiellose Performance für alles, von Gaming über Videobearbeitung bis hin zu komplexen Datenbankoperationen. Doch viele Nutzer, die ihre hochmoderne NVMe-SSD in ein externes Gehäuse stecken und an einen gewöhnlichen USB 3.0-Anschluss anschließen, erleben eine böse Überraschung: Die erwartete Blitzgeschwindigkeit bleibt aus, und die Übertragungsraten sind nur marginal besser – manchmal sogar schlechter – als bei einer älteren SATA-SSD. Was steckt dahinter? Die Antwort liegt im sogenannten Flaschenhals-Effekt.

Die wahre Power von NVMe: PCIe und geringe Latenz

Um zu verstehen, warum USB 3.0 eine NVMe-SSD ausbremst, müssen wir zunächst verstehen, was NVMe so schnell macht. Eine herkömmliche SSD, die das SATA-Protokoll verwendet, ist im Grunde eine Festplatte, die über den SATA-Bus mit dem System kommuniziert. Dieser Bus wurde ursprünglich für langsame mechanische Festplatten entwickelt und hat eine maximale theoretische Übertragungsrate von 6 Gbit/s (ca. 600 MB/s). Obwohl moderne SATA-SSDs diesen Wert annähernd erreichen, sind sie durch die Schnittstelle begrenzt.

NVMe hingegen ist ein Kommunikationsprotokoll, das speziell für Flash-Speicher entwickelt wurde und über die PCI Express (PCIe)-Schnittstelle direkt mit der CPU kommuniziert. PCIe ist die gleiche Hochgeschwindigkeitsverbindung, die auch von Grafikkarten genutzt wird. Es bietet mehrere Lanes, die jeweils in der Lage sind, eine enorme Menge an Daten gleichzeitig zu übertragen. Eine typische NVMe-SSD verwendet vier PCIe-Lanes (PCIe 3.0 x4 oder PCIe 4.0 x4). Die theoretischen Geschwindigkeiten sind beeindruckend:

• PCIe 3.0 x4: ca. 3.94 GB/s (Gigabyte pro Sekunde)
• PCIe 4.0 x4: ca. 7.88 GB/s (Gigabyte pro Sekunde)

Zusätzlich zur hohen Bandbreite bietet NVMe auch eine deutlich geringere Latenz als SATA. Das liegt daran, dass der Datenpfad viel direkter ist und das Protokoll für parallele Operationen optimiert ist. Dies ermöglicht es einer NVMe-SSD, Tausende von Befehlen gleichzeitig zu verarbeiten, im Gegensatz zu nur einer Handvoll bei SATA-SSDs. Kurzum: NVMe ist eine Hochgeschwindigkeitsautobahn mit vielen Spuren, die direkt ins Zentrum führt.

USB 3.0: Eine ganz andere Liga der Konnektivität

Im Gegensatz dazu steht USB 3.0 (auch bekannt als SuperSpeed USB). Als Weiterentwicklung des allgegenwärtigen Universal Serial Bus bietet es zwar eine erhebliche Geschwindigkeitssteigerung gegenüber USB 2.0, ist aber für die extremen Anforderungen einer NVMe-SSD nicht ausgelegt. Die theoretische maximale Brutto-Datenrate von USB 3.0 beträgt 5 Gbit/s (Gigabit pro Sekunde). Das klingt auf den ersten Blick vielleicht viel, aber es gibt zwei wichtige Faktoren zu berücksichtigen:

1. Umrechnung von Gigabit zu Gigabyte: 5 Gbit/s entsprechen etwa 625 Megabyte pro Sekunde (MB/s), da 1 Byte = 8 Bit ist.
2. Overhead: Die theoretische maximale Rate wird in der Praxis nie erreicht. Protokoll-Overhead, Fehlerkorrektur und die Verarbeitung durch den Controller reduzieren die effektive Übertragungsrate oft auf etwa 400-500 MB/s.

Das bedeutet, dass selbst unter idealen Bedingungen ein USB 3.0-Anschluss nur etwa ein Zehntel der Geschwindigkeit einer typischen PCIe 3.0 x4 NVMe-SSD liefern kann. Wenn Ihre NVMe-SSD 3000 MB/s lesen könnte, aber der USB 3.0-Anschluss nur 500 MB/s zulässt, ist der Flaschenhals offensichtlich.

Der Flaschenhals-Effekt: Mehr als nur unterschiedliche Geschwindigkeiten

Der Begriff „Flaschenhals-Effekt” beschreibt bildlich, wie ein Engpass in einer Kette die Gesamtleistung begrenzt. Stellen Sie sich eine moderne Sechsspuren-Autobahn vor (die NVMe-SSD und ihre PCIe-Schnittstelle), die plötzlich in eine enge Landstraße mit nur einer Fahrspur mündet (der USB 3.0-Anschluss). Egal wie schnell die Autos auf der Autobahn fahren können, an der Engstelle kommen sie nur noch langsam und nacheinander durch. Genau das passiert, wenn eine NVMe an USB 3.0 angeschlossen wird.

Aber der Flaschenhals ist nicht nur eine Frage der reinen Bandbreite. Es gibt weitere entscheidende Faktoren, die die Leistung drastisch mindern:

1. Protokollübersetzung (Bridge-Chip)

Eine NVMe-SSD spricht das NVMe-Protokoll über PCIe. Ein USB-Anschluss hingegen erwartet Daten im USB-Protokoll (oft in Verbindung mit dem UAS-Protokoll, USB Attached SCSI, das effizienter ist als ältere USB-Übertragungsmodi). Um diese beiden Welten miteinander zu verbinden, benötigt das externe NVMe-Gehäuse einen sogenannten Bridge-Chip oder Controller. Dieser Chip muss die Daten vom NVMe-Protokoll in das USB-Protokoll übersetzen und umgekehrt.

Diese Übersetzung ist keine triviale Aufgabe. Sie erfordert Rechenleistung, führt zu einer zusätzlichen Latenz und kann selbst bei optimaler Implementierung die maximal mögliche Übertragungsrate reduzieren. Billige oder ineffiziente Bridge-Chips sind hier oft ein weiterer Mini-Flaschenhals innerhalb des Haupt-Flaschenhalses und können die effektive Geschwindigkeit noch weiter drücken, manchmal sogar unter die 400-MB/s-Marke.

2. CPU-Overhead

Während NVMe-Verbindungen direkt mit der CPU kommunizieren und den Host-Prozessor effizient entlasten, erfordert die Verwaltung von USB-Geräten und die Protokollübersetzung durch den Bridge-Chip immer noch eine gewisse Beteiligung des Host-Systems. Dies kann zu einem erhöhten CPU-Overhead führen, besonders bei intensiven Schreib- oder Leseoperationen, was die Gesamtleistung weiter beeinträchtigt.

3. Allgemeine USB-Latenz

Obwohl USB 3.0 im Vergleich zu früheren Versionen eine geringere Latenz aufweist, ist sie immer noch höher als die direkte PCIe-Verbindung einer internen NVMe-SSD. Für Anwendungen, die von extrem schnellen Zugriffszeiten und niedriger Latenz profitieren (z.B. Datenbanken, Betriebssysteme, Spiele mit schnellen Ladezeiten), kann diese zusätzliche Verzögerung spürbar sein.

Weitere Faktoren, die die Geschwindigkeit beeinflussen

Neben dem Hauptproblem des Flaschenhalses durch die USB 3.0-Schnittstelle können auch andere Elemente die tatsächliche Geschwindigkeit beeinträchtigen:

• Qualität des Gehäuses/Bridge-Chips: Wie bereits erwähnt, kann ein minderwertiger Controller-Chip im externen Gehäuse die Performance erheblich beeinträchtigen. Forschung vor dem Kauf ist hier ratsam.
• USB-Kabel: Ein minderwertiges oder zu langes USB-Kabel kann die Signalintegrität beeinträchtigen und zu langsameren Geschwindigkeiten führen. Verwenden Sie immer das mitgelieferte oder ein hochwertiges Kabel.
• USB-Host-Controller: Die Qualität des USB-Controllers auf Ihrem Motherboard kann ebenfalls eine Rolle spielen. Ältere oder günstigere Motherboards haben möglicherweise nicht die leistungsfähigsten USB-Controller.
• Dateisystem und Treiber: Das verwendete Dateisystem (z.B. NTFS, exFAT, APFS) und die Treiber auf dem Host-System können ebenfalls einen kleinen Einfluss auf die Performance haben.
• Andere USB-Geräte: Wenn andere bandbreitenintensive Geräte am selben USB-Controller angeschlossen sind, kann dies die verfügbare Bandbreite für Ihre NVMe-SSD weiter reduzieren.

Wann ist USB 3.0 ausreichend und wann nicht?

Die Erkenntnis, dass USB 3.0 eine NVMe-SSD ausbremst, bedeutet nicht, dass USB 3.0 nutzlos ist. Es kommt stark auf den Anwendungsfall an:

• Ausreichend für:
  • Regelmäßige Backups von Dokumenten und Fotos.
  • Übertragung kleinerer bis mittelgroßer Dateien, bei denen Geschwindigkeiten von 400-500 MB/s immer noch deutlich schneller sind als ältere USB 2.0-Laufwerke oder externe HDDs.
  • Als erweiterter Speicher für Anwendungen oder Spiele, die nicht die absolute maximale I/O-Leistung erfordern.
• Nicht ausreichend für:
  • Professionelle Videobearbeitung mit großen 4K/8K-Dateien.
  • Laden von grafikintensiven Spielen, die von sehr schnellen Ladezeiten profitieren.
  • Betriebssystem-Installationen oder virtuelle Maschinen, die direkt von der externen NVMe-SSD laufen sollen.
  • Jede Anwendung, die die volle Geschwindigkeit und niedrige Latenz einer internen NVMe-SSD erfordert.

Lösungen für die volle NVMe-Geschwindigkeit extern

Wenn Sie die volle Leistung Ihrer NVMe-SSD auch extern nutzen möchten, müssen Sie auf schnellere Schnittstellen setzen:

1. USB 3.2 Gen 2 (ehemals USB 3.1 Gen 2): Bietet eine theoretische Brutto-Datenrate von 10 Gbit/s (ca. 1250 MB/s). Dies ist eine deutliche Verbesserung und kann die Leistung vieler NVMe-SSDs schon gut ausnutzen, ohne an der internen Spitze anzukommen.
2. USB 3.2 Gen 2×2: Eine neuere und schnellere USB-Spezifikation mit 20 Gbit/s (ca. 2500 MB/s). Mit dieser Schnittstelle kommen Sie der vollen NVMe-Leistung schon sehr nahe, vorausgesetzt, Ihr Computer und das externe Gehäuse unterstützen dies.
3. Thunderbolt 3 / Thunderbolt 4 / USB4: Diese Technologien bieten die höchste externe Bandbreite, oft 40 Gbit/s (ca. 5000 MB/s). Thunderbolt-NVMe-Gehäuse sind zwar teurer, können aber die Performance einer NVMe-SSD am besten ausreizen. Beachten Sie, dass auch hier ein Bridge-Chip erforderlich ist, der die PCIe-Schnittstelle in Thunderbolt übersetzt, was ebenfalls zu einem gewissen Overhead führen kann, aber in der Regel wesentlich effizienter ist als bei älteren USB-Standards.
4. Interne Installation: Die beste und schnellste Lösung bleibt immer die interne Installation der NVMe-SSD in einem dafür vorgesehenen M.2-Slot auf dem Motherboard. Hier wird die volle Bandbreite der PCIe-Schnittstelle ohne externe Protokollübersetzung genutzt.

Stellen Sie sicher, dass sowohl Ihr externer NVMe-Adapter/Gehäuse als auch der USB-Port an Ihrem Computer die gewünschte, höhere Geschwindigkeit unterstützen. Ein USB 3.2 Gen 2-Gehäuse an einem USB 3.0-Port wird natürlich weiterhin vom USB 3.0-Flaschenhals begrenzt.

Fazit: Erwartungen richtig managen

Der scheinbar enttäuschend langsame Betrieb einer NVMe-SSD an einem USB 3.0-Anschluss ist kein Defekt, sondern eine logische Folge des Flaschenhals-Effekts. Die NVMe-Technologie ist darauf ausgelegt, ihre immense Geschwindigkeit über die direkte und breitbandige PCIe-Schnittstelle zu entfalten. USB 3.0, obwohl für seine Zeit schnell, kann diese Anforderungen einfach nicht erfüllen, da es eine geringere Bandbreite bietet und zusätzlich eine aufwendige Protokollübersetzung erfordert.

Wenn Sie eine externe NVMe-Lösung in Betracht ziehen, ist es entscheidend, Ihre Bedürfnisse und die Kompatibilität der Schnittstellen genau abzugleichen. Für maximale Leistung ist eine schnellere USB-C-Variante wie USB 3.2 Gen 2×2 oder Thunderbolt die Wahl. Für alltägliche Aufgaben, bei denen die absolute Höchstgeschwindigkeit nicht ausschlaggebend ist, kann eine NVMe an USB 3.0 jedoch immer noch eine sehr brauchbare und schnelle externe Speicherlösung darstellen – solange Sie Ihre Erwartungen entsprechend anpassen. Es ist immer eine Frage des richtigen Werkzeugs für den richtigen Zweck.